不同品种小麦籽粒延迟发光特性分析_王锋

第13卷第31期2013年11月1671—1815（2013）31-9177-04

科学技术与工程

Science Technology and Engineering

Vol. 13No. 31Nov．2013 2013Sci. Tech. Engrg.

农业科学

不同品种小麦籽粒延迟发光特性分析

王

锋

王艳娜

史卫亚

宋红霞

焦珂珂

（河南工业大学信息科学与工程学院，郑州450001）

摘要针对测量得到六个不同品种小麦籽粒的延迟发光信号进行分析、处理，得到延迟发光初始强度和衰减系数等时域特

发现品种不同，其各项参征参数以及峰值点频率和频谱重心频率等频域特征参数。对比不同品种小麦籽粒的这些特征参数，无损判定提供了一个新的思路。数取值也有较为明显的差异。为小麦籽粒品种的快速、关键词

小麦籽粒

S512. 1

延迟发光

TP311. 7；

曲线拟合

傅里叶变换

中图法分类号

文献标志码

生物延迟发光（delayed luminescence ，DL ）是生物系统在外来光子激发下其生物光子辐射动力学出现的长时间的弛豫行为，它起因于生物体内部集体生物分子之间的相干非线性相互作用，与生理代谢、光合作用和细胞分裂等许多生命过程有关。由于DL 对生物系统内部及外界环境的细微变化高度敏感，其在农业、环境保护、食品卫生和医学等许多领域等都具有极为重要的应用价值anzo

［3］

［1，2］

1. 1

材料和方法

材料

六个品种的小麦种子为2012年6月份收割的

郑麦7698（简称郑麦）、偃展矮抗58（简称矮抗）、

4110（简称偃展）、温麦18（简称温麦）、衡观35（简称衡观）、周麦22（简称周麦）。

每个品种各选取籽粒饱满、完整的小麦种子若干，用纯净水冲洗三次，洗去灰尘杂质，放在60ħ 干燥箱中烘干至冲洗前的质量，用密封袋封存。1. 2

延迟发光的测量

测量仪器采用中国科学院生物物理研究所研制的BPCL —ZL —TGC 超微弱发光测量仪。测量条件为：每次测量前先把机器预热1h ，工作电压为1036V ，样品室温保持28ħ ；每次测量前测一次本底噪声（主要来源于光电倍增管的暗电流），测量时直接减去本底；每次测量称取小麦样品量为（5. 00ʃ 0. 02）g ；测量时间为3600s ，时间间隔为1s ；测量过程处于同一环境条件（同一环境温度、湿度等）下。

延迟发光的测量：将样品暗处理30min ，然后在光源下垂直照射30min 后测量其延迟发光。光源采用23W 荧光灯，光照距离为5cm （经测量照度为46500lx ）。1. 3

曲线拟合方法

根据生物延迟发光的动力学模型及其机理，采

。近年来，

生物延迟发光在农业上的研究很多，如Evelina Cost-等通过DL 检测单粒种子活性，实验发现种子

［2］

活力和DL 的总光子数和激发态的相关衰落有关；习岗，李少华等

分析了H 2O 2胁迫下菠菜叶片延迟

发光动力学过程，发现菠菜叶片的延迟发光随时间按双指数规律衰减，其动力学行为可以通过发光动力学参数积分强度、初始光子数和衰变时间定量描述。

通过对不同品种小麦的延迟发光数据进行分析，得到其延迟发光曲线拟合参数和频谱特性参发现不同品种对应的参数取值有较大不同。数，

2013年6月13日收到第一作者简介：王

国家自然科学基金项目（31171775）资助

锋（1974—），男，博士，副教授。研究方向：电子

mail ：wfmail@opt．cn 。技术应用。E-

9178科学技术与工程13卷

用双指数函数对延迟发光数据进行曲线拟合。双指数拟合函数模型的方程如式（1）。

I （t ）=I 1（t 0）e －k1t +I 2（t 0）e －k2t

（1）

I （t ）是延迟发光强度，式（1）中，它等于以衰减速率k 2的两个阶段衰减的函数的叠加。当t 分别为k 1、

=0时，初始发光强度I （t 0）=I 1（t 0）+I 2（t 0）；I 1（t 0）、I 2（t 0）分别表示两个延迟发光衰减函数的初k 2分别两个延迟发光衰减函数的衰减始强度；k 1、

I 2（t 0）、k 1、k 2与小麦籽粒的特性速率。参数I 1（t 0）、

有关，如新鲜度、水分含量、籽粒的形状和色泽、以及是否经过处理等。1. 4

傅里叶变换分析

应用傅里叶变换方法分析小麦籽粒延迟发光特性的频域特征。对延迟发光数据，首先去除信号中的直流分量，再进行一维平稳小波降噪，最后对降噪后的数据进行傅里叶变换分析，通过计算频谱相关的特征参量观察其频域特性。具体流程图如图1所示

。

用双指数函数分别对六品种小麦DL 数据进行曲线拟合，结果如图2所示，其中横轴表示时间（s ），纵轴表示光子数（counts /s）。六个品种小麦DL 曲线拟合的各项参数指标及拟合具体情况见表1。其中Ｒ-square 是确定系数，0，正常取值范围是［1］，越接近于1，说明方程（1）对数据拟合的效果越好。

由表1可知确定系数Ｒ均在0. 948以上，这说明拟合的曲线与原始数据比较吻合，即式（1）的双指数函数能够较好地描绘小麦籽粒的DL 特性。同时表明了式（1）为生物延迟发光动力学模型，生物延迟发光呈现双指数衰减的规律。

由表1可以看出，六种小麦的DL 初始强度I （t 0）具有较为明显的差异，由大到小排列为矮抗、温麦、偃展、郑麦、周麦、衡观，其中矮抗的初始强度最大，这与六种小麦第一阶段初始强度I 1（t 0）的大小一致，与第二阶段初始强度I 2（t 0）总体一致（除了郑麦的I 2（t 0）稍大于偃展）；六种小麦的第一、第k 2也有一定的差异，二衰减阶段的衰减系数k 1、其中k 1值周麦最大，温麦最小，说明周麦延迟发光第一阶段衰减最快；六品种k 2值中衡观最大，矮抗次之，温麦最小，说明延迟发光衰减的第二阶段衡观I 2（t 0）、k 1、k 2等参衰减最快。六品种小麦的I 1（t 0）、

数各不相同，这是由于小麦的品种不同，其后熟期的生物化学变化不同，细胞内高分子物质（如淀粉、蛋白质和脂肪等）、水分、可溶性糖等含量的差异，反映到DL 的特性上的结果

。

图1傅里叶变换分析流程图

去直流采用每个数据减去其均值的方法；小波降噪的目的是降低叠加在信号上面的干扰的影响，这里选用sym8小波，五层分解，软阈值法实现小波降噪。

频谱相关参数频谱重心频率计算方法如下：频谱重心频率给出了信号幅度按频率分布的计算公式为重心，

f 2

f g =

［|∑f =f

X （e j2πf ）|f ］

（2）

X （e j2πf ）|

f 2

|∑f =f

f 为频率值，f g 为频谱重心频率，f 1到f 2为式（2）中，

|X （e j2πf ）|为频谱的幅度。频率范围，

峰值点频率是频谱峰值所在的频率点，峰值点频率及其幅值给出了小麦DL 频谱中的最大值点。

2. 1

实验结果分析

曲线拟合结果分析

图2六个品种小麦的DL 原始曲线及其拟合曲线

31期

表1

品种郑麦矮抗温麦偃展衡观周麦

I 1（t 0）353. 4408. 2360. 2357. 8263. 5325. 3

王等：不同品种小麦籽粒延迟发光特性分析锋，9179

六个品种小麦DL 拟合参数

I 2（t 0）194. 5226. 7223. 8193. 9151. 3167. 7

k 1

k 2

Ｒ

I （t 0）547. 9634. 9584. 0551. 7414. 8493. 0

频谱重心频率中矮抗的最大，郑麦为明显的差别，

次之，衡观的最小；频谱重心频率对应幅值中偃展衡观的最小。六种小麦延迟发光的频谱参的最大，

数的差异，为区分不同品种小麦特征提供了一个新的方向。

0. 0074940. 00037770. 95060. 0072090. 00039060. 96010. 0058770. 00034940. 96340. 0064440. 00036090. 95870. 0075330. 00039440. 94870. 0076660. 00038210. 9522

3结论与展望

小麦的品种不同，其后熟期的生物化学变化不

2. 2频谱信号分析

分别对六种小麦籽粒DL

数据进行去直流、一

同，储藏过程中呼吸强度大小也不同，细胞内高分子物质（如淀粉、蛋白质和脂肪等）、水分、可溶性糖等含量各异，这些参数可能表现在小麦籽粒的DL 特性上。通过对不同品种小麦的DL 数据进行分析，得到的不同品种小麦DL 曲线拟合参数和频谱参数有明显差别。

本文的研究结论从生物光子学角度为小麦籽粒不同品种的判别提供了依据。

参

1234

顾习

维平稳小波降噪、快速傅里叶变换处理，并计算其测量和处理结果如图3所示。图频谱的各项参数，

3给出了以郑麦品种为例的小麦DL 频谱图。表2给出了六个品种小麦DL 的频谱各项参数。

考文献

2007樵．生物光子学．北京：科学出版社，岗，李少华，张

艳．H 2O 2胁迫下菠菜叶片延迟发光动力学

2010；12：952—956过程的分析．发光学报，

Costanzo E ，Gulino M ，Lanzano L ，et al ．Single seed viability checked by delayed luminescence．Eur Biophys J ，2008；37：235—238樊

超，夏

旭，石小凤，等．基于图像处理的小麦品种分类研

2011；10：74—78究．河南工业大学学报（自然科学版），

图3表2

参数品种郑麦矮抗温麦偃展衡观周麦

以郑麦为例的小麦DL 频谱图

5Tryka S ，Wozniak W．Effect of moisture treatment on the ultraweak luminescence from imbibing wheat grain．Int Agrophisics ，1998；12：127—132

六个品种小麦DL 的频谱参数比较

峰值点对应幅值1. 39ˑ 1051. 64ˑ 1051. 62ˑ 1051. 45ˑ 1051. 07ˑ 101. 21ˑ 10

峰值点

频率/Hz0. 00020. 00020. 00020. 00020. 00020. 0002

频谱重心频率/Hz0. 09020. 09420. 07490. 06530. 06060. 0690

频谱重心频率对应幅值2. 93ˑ 1032. 97ˑ 1033. 35ˑ 1034. 07ˑ 1032. 82ˑ 103. 42ˑ 10

678910

郭建军．大豆种子光诱导延迟发光特性研究．天津：南开大2008学，

张晓辉，余宁梅，习

岗，等．基于小波消噪的植物电信号频谱特

2011；27（4）：411—416征分析．西安理工大学学报，

舒伟军，田晓静．基于生物超弱发光的稻谷霉变特性研究．科技2008；24（6）：815—819通报，李少华，习

岗，樊琳琳，等．渗透胁迫下萌发小麦种子超弱光子

2011；2：282—287辐射的变化及意义．光子学报，

吕家根，占达东，王周平，等．酸雨胁迫下小麦微弱延迟发光及2003；61（5）：其生理、生态变化相关性研究．化学学报，760—764

由表2可知，六个品种小麦DL 的峰值点所在的频率均为0. 0002Hz ，但是其峰值点对应幅值各不相同，其中矮抗的最大，温麦的次之，衡观的最小；六种小麦的频谱重心频率及其对应幅值也有较

(下转第9189页)

31期王保辉，等：惰性气体作为垫层气的天然气地下储气库注采动态运移规律研究9189

Study on the Dynamic Migration Law of Inert

Cushion Gas during Injection-production

Process in Underground Natural Gas Storage Ｒeservoir

WANG Bao-hui 1，YAN Xiang-zhen 2，YANG Xiu-juan 2

（Architectural Engineering Institute ，Weifang University 1，Weifang 261061，P．Ｒ．China ；

College of Pipeline and Civil Engineering ，China University of Petroleum 2，Qingdao 266555，P．Ｒ．China ）

［Abstract ］The elastic-plastic deformation characteristics of underground gas storage reservoir under the alterna-

tive loads ，the gas-solid coupling mathematical model of multicomponent gas diffusion and seepage are established for the operation of the underground gas storage reservoir. The dynamic change laws of nitrogen concentration in withdrawn gas are calculated based on the proposed model. On this basis ，the influences of percentage of cushion that can be replaced by nitrogen gas ，reservoir permeability ，porosity ，and distance between the injector and pro-ducer wells on the nitrogen concentration in withdrawn gas are studied. The examples show that the coupling effect is very significant for gas storage in the underground gas storage reservoir. The nitrogen concentration in withdrawn gas is equidirectional with the increase of percentage of cushion that can be replaced by nitrogen gas ，reservoir per-meability and porosity ，whereas it decreases with the distance between the injector and producer wells. Ｒeservoirpermeability and porosity have only minor impacts on degree of mixing when they are more than 300md and 0. 2re-spectively.

［Key words ］underground gas storage reservoir numerical simulation

檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸檸(上接第9179页)

inert gas

gas-solid coupling

dynamic migration

Analysis of Delayed Luminescence Characteristics of

Different Varieties of Wheat

WANG Feng ，WANG Yan-na ，SHI Wei-ya ，SONG Hong-xia ，JIAO Ke-ke

（College of Information Science and Engineering ，Henan University of Technology ，Zhengzhou 450001，P．Ｒ．China ）

［Abstract ］The delayed luminescence characteristics of different varieties of wheat grain are researched．The de-layed luminescence signals of six different varieties of wheat grain are measured firstly．Then they are analyzed and processed respectively ，and then their time domain characteristic parameters such as initial intensity and attenuation coefficient ，and frequency domain characteristic parameters such as peak frequency and spectrum center frequency are gotten．Through comparing the characteristic parameters of different varieties of wheat grain ，different varieties have its evident different parameters values．A new idea is provided to determine varieties of wheat grain in rapid and nondestructive way．［Key words ］wheat grain

delayed luminescence

curve fitting

fourier transform